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EP0775378B1 - Vorrichtung zur aufladung und zum ladungsaustausch zwischen einer vielzahl von in reihe geschalteten energiespeichern - Google Patents

Vorrichtung zur aufladung und zum ladungsaustausch zwischen einer vielzahl von in reihe geschalteten energiespeichern Download PDF

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Publication number
EP0775378B1
EP0775378B1 EP95925726A EP95925726A EP0775378B1 EP 0775378 B1 EP0775378 B1 EP 0775378B1 EP 95925726 A EP95925726 A EP 95925726A EP 95925726 A EP95925726 A EP 95925726A EP 0775378 B1 EP0775378 B1 EP 0775378B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
energy storage
triggered
charging
storage device
coil
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP95925726A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0775378A1 (de
Inventor
Heribert Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP0775378A1 publication Critical patent/EP0775378A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0775378B1 publication Critical patent/EP0775378B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0018—Circuits for equalisation of charge between batteries using separate charge circuits
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a device for charging and Charge exchange between a variety of series and a similar energy storage forming an overall energy storage.
  • Such a monitoring device is known from US-A-4,331,911 and is used to adjust the voltages of individual, series-connected Accumulators with a DC-DC converter.
  • the only central converter for all accumulators is fed from the total battery and it is not able, due to aging peculiarities of individual accumulators to detect.
  • DE-PS 30 31 931 is a device for extending the discharge time described by rechargeable batteries, in which the voltage states of the accumulators with a monitoring device be recorded. There will be a longer reliable discharge of the Accumulators causes the accumulator to not operate Discharge and thus when the limit voltage of the weakest is reached Cell is ended, but only when this limit voltage averages of all interconnected accumulators is reached. An extension the service life of batteries in terms of their replacement cannot be achieved with it.
  • SU 1 065 959 describes a device for a battery charger known, with the overloading and charging with reverse polarity of Accumulators is prevented.
  • the charging current is over a Monitored transistor circuit, which further comprises Zener diodes.
  • protection circuit can neither monitor the quality of the Accumulators ensure an even longer lifespan of theirs Increase the quality of deteriorating batteries.
  • a monitoring device is known from the applicant's EP 0 432 639 A2 for a large number of similar accumulators connected in series known in which an electrical with the aid of a control circuit Memory is connected in parallel to one of the accumulators, whereby the primary winding of a transformer in series with one to the Control circuit connected breakers in parallel with the poles of the Group of accumulators is connected.
  • the electrical Memory each formed from the secondary winding, each over one blocking diode is connected to each accumulator.
  • Via a comparison circuit is when a difference signal occurs in the control circuit a function generator connected between the batteries, the output of which is connected to the interrupter. So that can targeted supply of energy to the weakest accumulator.
  • This System has the disadvantage of a multitude of small applications controlling elements that a cost and possibly a space and Represent weight factor. At the same time, in addition to the considerable effort for the selection of the respective weak or strong cell the performance range the flyback converter used is limited
  • the object of the invention to create a device of the type mentioned at besides the delay in the exchange of one in its quality poorer battery with little circuitry too the charging of the energy store can be effected.
  • the clock generator is preferably controlled by a sequence control circuit, which via an activation circuit for a predetermined or is switched on for a certain period of time by a switched on load.
  • the device is e.g. in one device for charge balancing according to EP 0 432 639 A2 by the applicant integrable. Furthermore, it can also be used in DE 44 22 409 to be with a small number of additional components to form a combined charge balancing and charger.
  • Fig. 1 shows a circuit diagram of a device for charging and Charge equalization for four batteries 1 according to a first embodiment. These can be a single group of four accumulators 1 or parts of a larger one, e.g. 10 to 12 accumulators 1 comprehensive battery bank.
  • a transformer 2 which has four identical windings here 3 has, all in the same indicated by the point Sense of direction on a common core 4 in a narrow magnetic Coupling are arranged.
  • a winding 3 forming an energy store is in each case one Accumulator 1 assigned, each winding 3 in series with a diode 7 is connected in parallel to the accumulator 1.
  • an additional winding 13 is reversed with respect to the windings 3 Sense of winding provided in series with a parallel arrangement Combination of a switch 8 and a diode 17 to form the total battery bank is switched on.
  • the windings 23 and 33 are now using the Switches 5 and 6 alternately with a duty cycle of less than 50 percent connected to the poles of the mains rectifier 10.
  • the switches 5 and 6 are shown in the clock step in which the switch 5 is closed is so that the winding 23 with that of the line rectifier 10th generated intermediate circuit voltage is applied.
  • Clock step then closes switch 6 while switch 5 is open, so that the winding 33 is acted upon by the intermediate circuit voltage.
  • the switch 8 is open, as shown in FIG. 1. That’s how she works Device as a flow converter.
  • the closing phase of switch 5 becomes a voltage in the windings 3 by the feed winding 23 induces that the diodes 7 become conductive and a current directly into the Accumulators 1 flows.
  • the bigger one flows Proportion of current in the cell with the lowest Tension, so that parallel to the store a more direct Equalization of the charging voltages occurs during the charging process.
  • switch 6 During the closing phase of switch 6 is switched on the feed winding 33 in the winding 13 a voltage induced so that the diode 17 becomes conductive and a current flows into the overall battery.
  • Switches 5 and 6 are each with corresponding ones Outputs of a clock connected in the drawing is not shown and with the a clock frequency of preferably more than 20 kHz can be generated.
  • the circuit can also have a voltage comparator, the one Switching pulse passes on to the output of the circuit when the absolute value the battery voltage within or better outside predetermined values lies. These could e.g. in the case of a lead accumulator 1 at a voltage of are greater than 2.2 volts or less than 1.95 volts. A tension of one Accumulator 1 outside of these values indicates a charging or discharging process close at which charge equalization should take place.
  • a detector could also be provided with which a dynamic of the Battery voltage is detectable, which indicates rapid load changes, such as these occur when operating an electric vehicle. This could also continue Deviation of the voltage of individual accumulators 1 from a current one Average value of the overall system is provided as a trigger for the activation circuit be.
  • the charge balancing circuit may e.g. also periodically, e.g. every 3 hours.
  • a start pulse after one of the aforementioned Conditions are created that are checked individually or in groups can control this, for example, a monoflop that is for a predetermined Duration, e.g. half an hour, the charge exchange device turns on, or this period is characterized by a feature of the on Load determined
  • the device is monitored by a logic unit, the further signals for the detection of an overcurrent in or an overtemperature of components such as transistors or windings.
  • This Circuitry can also provide an output for an indication of status or control signals have, e.g. for a load shedding.
  • This logic unit controls the called clock generator high clock frequency at the output of the control input the switch 8 is connected.
  • the switch 8 opened and closed with a high clock frequency of a few kHz, whereby Energy taken from the total battery and the weakest single cell is fed.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of a further device for charging and for charge equalization for three batteries 1 according to a second embodiment.
  • the same features are given the same reference symbols in all the figures Mistake.
  • switches 5 and 6 alternately closed are, further switches 15, each connected in series to the windings 3 are.
  • These switches 15 are in the clock step in which the switch 5 is closed is also closed and switch the windings 3 in parallel to the Accumulators 1.
  • This can be the one supplied by the mains rectifier 10 Energy can be induced in the windings 3 via the feed winding 23, which emit a charging current for the individual batteries 1.
  • the clock generator opens the Switch 15, so that a voltage in the winding via the feed winding 33 13 is induced and so the entire battery is charged.
  • windings 3 are all in the same direction on the batteries 1 turned on, with the switches for the second clock period with open switches 15 all accumulators 1 acting together demagnetizing winding 13 is provided, which is connected via a diode 17 across the entire battery.
  • the actual charge exchange takes place here in the switch-on phase in the first Cycle period instead. This can be done with a suitable choice of windings 3 and 13 also make up over 50% of a cycle because the demagnetization is rapid can be done.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of a further device for charge equalization for two accumulators 1 shown in this section according to one third embodiment.
  • Each of the accumulators 1 has two windings 3 assigned different sense of winding. These windings 3 with each with regard to their connection to the accumulator 1 different sense of winding are connected in series with a switch 15 and 16, respectively.
  • the Windings 3 are arranged on a common core 4.
  • each of the two becomes a little less than 50% each Accumulator 1 associated winding 3 with the accumulator 1 in parallel connected, wherein all accumulators are virtually connected in parallel, so that in every step there is a charge balance and a current in the weakest accumulator 1 flows
  • the device has the feed windings 23 and 33 on the common core 4, which in one to the other embodiments are connected in an analogous manner to the mains rectifier 10.
  • switches 5 and 15 or 6 and 16 are now closed together or opened.
  • the switches 5 and 15 and the switches 6 and 16 are each operated synchronously. So that when switch 5 is closed on the Feed winding 23 induces a voltage in the windings 3, which over the Switch 15 are connected in parallel to the accumulators 1.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufladung von und/oder zum Ladungsaustausch zwischen einer Vielzahl von in Reihe geschalteten gleichartigen Energiespeichern (1), bei dem mindestens ein elektrischer Speicher (3) im Takt parallel zu den Energiespeichern (1) zugeschaltet wird. Dabei werden die elektrischen Speicher durch aus den Energiespeichern (1) geladene transformatorische Elemente (3) gebildet. Beim Ladebetrieb wird der mindestens eine elektrische Speicher (3) in einem Taktschritt als Sekundärwicklung geschaltet, wobei als Primärwicklung eine auf demselben Kern angeordnete Speisewicklung (23, 33) vorgesehen ist. Beim Ladungsaustauschbetrieb wird der mindestens eine elektrische Speicher (3) in einem Taktschritt als Übertragungswicklung geschaltet, in die eine Spannung aus der Gesamtbatterie oder aus einem oder mehreren einzelnen Akkumulatoren (1) induziert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufladung und zum Ladungsaustausch zwischen einer Vielzahl von in Reihe geschalteten und einen Gesamtenergiespeicher bildenden, gleichartigen Energiespeichern.
Eine solche Überwachungsvorrichtung ist aus der US-A-4 331 911 bekannt und dient zum Angleichen von Spannungen einzelner, in Reihe geschalteter Akkumulatoren mit einem DC-DC-Wandler. Der einzige zentrale Wandler für alle Akkumulatoren wird aus der Gesamtbatterie gespeist und er ist nicht fähig, durch Alterung auftretende Besonderheiten einzelner Akkumulatoren zu detektieren.
Bis ein solcher, in seiner Speicherungs- und Ladungsqualität absinkender Akkumulator von der Überwachungseinrichtung für Akkumulatoren erkannt wird, führt sein Fehlverhalten zu einer Kette von Reaktionen in der Gruppe der Akkumulatoren, was zu einer Degradation auch der anderen Akkumulatoren führt.
In der DE-PS 30 31 931 ist eine Vorrichtung zur Verlängerung der Entladungsdauer von wiederaufladbaren Akkumulatoren beschrieben, bei der mit einer Überwachungseinrichtung die Spannungszustände der Akkumulatoren erfaßt werden. Es wird eine längere betriebssichere Entladung der Akkumulatoren dadurch bewirkt, daß der Akkumulatorbetrieb nicht bei Entladung und damit bei Erreichen einer Grenzspannung der schwächsten Zelle beendet wird, sondern erst, wenn diese Grenzspannung im Mittel aller zusammengeschalteten Akkumulatoren erreicht wird. Eine Verlängerung der Standzeit von Akkumulatoren im Hinblick auf ihre Auswechslung läßt sich damit nicht erreichen.
Aus der SU 1 065 959 ist eine Vorrichtung für ein Akkumulatorladegerät bekannt, mit der das Überladen und das Laden mit Falschpolung von Akkumulatoren verhindert wird. Dabei wird der Ladestrom über eine Transistorschaltung überwacht, die weiterhin Zenerdioden umfaßt. Diese Schutzschaltung kann jedoch weder die Überwachung der Qualität der Akkumulatoren gewährleisten, noch eine längere Standzeit von in ihrer Qualität schlechter werdenden Akkumulatoren bewirken.
Aus der EP 0 432 639 A2 der Anmelderin ist eine Überwachungseinrichtung für eine Vielzahl von in Reihe geschalteten, gleichartigen Akkumulatoren bekannt, bei der mit Hilfe einer Steuerschaltung ein elektrischer Speicher parallel zu einem der Akkumulatoren zugeschaltet wird, wobei die Primärwicklung eines Transformators in Reihe mit einem an die Steuerschaltung angeschlossenen Unterbrecher parallel zu den Polen der Gruppe von Akkumulatoren verbunden ist. Dabei wird der elektrische Speicher jeweils aus der Sekundärwicklung gebildet, die über jeweils eine sperrende Diode mit jedem Akkumulator verbunden ist. Über eine Vergleichsschaltung wird bei Auftreten eines Differenzsignals in der Steuerschaltung zwischen den Akkumulatoren ein Funktionsgenerator angeschaltet, dessen Ausgang mit dem Unterbrecher verbunden ist. Damit kann gezielt dem schwächsten Akkumulator Energie zugeführt werden. Diese Anlage weist für kleine Anwendungen den Nachteil einer Vielzahl von steuernden Elementen auf, die einen Kosten- und ggf. einen Raum- und Gewichtsfaktor darstellen. Zugleich ist neben dem erheblichen Aufwand für die Selektion der jeweiligen schwachen oder starken Zelle der Leistungsbereich der jeweils eingesetzten Sperrwandler nach oben begrenzt
Alle diese Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, daß zur Aufladung der Energiespeicher, bei denen es sich zB. um Batteriebänke eines Elektrofahrzeugs handeln kann, ein externes Ladegerät vorgesehen sein muß, welches wiederum in einem solchen Fahrzeug Platz einnimmt und zusätzliches Gewicht ausmacht.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem neben der Verzögerung des Austausches eines in seiner Qualität schlechteren Akkumulators mit einem geringen Schaltungsaufwand auch die Aufladung der Energiespeicher bewirkt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.
Vorzugsweise wird der Taktgeber von einer Ablaufsteuerschaltung angesteuert, die über eine Aktivierschaltung für einen vorbestimmbaren oder von einer angeschalteten Last bestimmten Zeitraum eingeschaltet ist.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Aufladung und zum Ladungsausgleich für vier Akkumulatoren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2
ein Schaltbild einer weiteren Vorrichtung zur Aufladung und zum Ladungsausgleich für drei Akkumulatoren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
Fig. 3
ein Schaltbild einer weiteren Vorrichtung zur Aufladung und zum Ladungsausgleich für zwei Akkumulatoren gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
Es sind natürlich eine Vielzahl von Realisierungsmöglichkeiten von Schaltungen zur Durchführung des Verfahrens möglich, von denen in der Folge mehrere dargestellt werden. Die Vorrichtung ist z.B. bei einer Vorrichtung zum Ladungsausgleich gemäß der EP 0 432 639 A2 der Anmelderin integrierbar. Weiterhin kann sie auch bei der DE 44 22 409 eingesetzt werden, um mit einer geringen Anzahl von zusätzlichen Bauteilen ein kombiniertes Ladungsausgleich- und Ladegerät zu bilden.
Die Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Aufladung und zum Ladungsausgleich für vier Akkumulatoren 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Diese können eine einzelne Gruppe von vier Akkumulatoren 1 bilden oder Teile einer größeren, z.B. 10 bis 12 Akkumulatoren 1 umfassenden Batteriebank sein.
Es ist ein Transformator 2 vorgesehen, der über hier vier gleiche Wicklungen 3 verfügt, die alle im gleichen durch den Punkt angedeuteten Richtungssinn auf einem gemeinsamen Kern 4 in enger magnetischer Kopplung angeordnet sind.
Dabei ist hier jeweils eine einen Energiespeicher bildende Wicklung 3 einem Akkumulator 1 zugeordnet, wobei jede Wicklung 3 in Reihe mit einer Diode 7 zu dem Akkumulator 1 parallel geschaltet ist.
Weiterhin ist eine Zusatzwicklung 13 mit gegenüber den Wicklungen 3 umgekehrtem Wicklungssinn vorgesehen, die in Reihe mit einer parallel angeordneten Kombination eines Schalters 8 und einer Diode 17 zu der Gesamtbatteriebank zugeschaltet ist.
Darüberhinaus sind auf dem Kern 4 zwei weitere Speisewicklungen 23 und 33 mit gleichem Wicklungssinn vorgesehen, die über einen Mittelabgriff 9 an dem Netzausgang positiver Spannung eines Netzgleichrichters 10 angeschlossen sind. Die anderen Wicklungsenden der Speisewicklungen 23 und 33 sind jeweils in Reihe mit einer Diode 27 und Schaltern 5 bzw. 6 an dem Netzausgang negativer Spannung des Netzgleichrichters 10 angeschlossen. Der Netzgleichrichter 10 wird z.B. aus dem üblichen Wechselspannungsnetz 11 gespeist und erzeugt sekundärseitig eine Zwischenkreisspannung.
In der Ladephase werden die Wicklungen 23 und 33 nun mit Hilfe von den Schaltern 5 und 6 mit einem Tastverhältnis von weniger als 50 Prozent abwechselnd mit den Polen des Netzgleichrichters 10 verbunden. Die Schalter 5 und 6 sind in demjenigen Taktschritt dargestellt, in dem der Schalter 5 geschlossen ist, so daß die Wicklung 23 mit der von dem Netzgleichrichter 10 erzeugten Zwischenkreisspannung beaufschlagt ist. Im nächsten, nicht dargestellten Taktschritt schließt dann der Schalter 6, während der Schalter 5 offen ist, so daß die Wicklung 33 von der Zwischenkreisspannung beaufschlagt wird.
Der Schalter 8 ist dabei, wie in der Fig. 1 dargestellt, offen. Damit arbeitet die Vorrichtung als Durchflußwandler. Während der Schließphase von Schalter 5 wird durch die Speisewicklung 23 in den Wicklungen 3 eine Spannung derart induziert, daß die Dioden 7 leitend werden und ein Strom jeweils direkt in die Akkumulatoren 1 fließt. Dabei fließt der größere Anteil des Stromes in die Zelle mit der niedrigsten Spannung, so daß parallel zu dem Laden ein direkter Ausgleich der Ladespannungen beim Ladevorgang auftritt.
Während der Schließphase von Schalter 6 wird durch die Speisewicklung 33 in der Wicklung 13 eine Spannung induziert, so daß die Diode 17 leitend wird und ein Strom in die Gesamtbatterie fließt.
Die Schalter 5 und 6 sind jeweils mit entsprechenden Ausgängen eines Taktgebers verbunden, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist und mit dem eine Taktfrequenz von vorzugsweise mehr als 20 kHz erzeugbar ist.
Es wird in zwei Taktschritten einmal bei geschlossenem Schalter 6 die Gesamtbatterie geladen und bei geschlossenem Schalter 5 über die Wicklungen 3 jeder einzelne Akkumulator 1 aufgeladen. Bei entsprechender Dimensionierung der genannten Wicklungen wird ungefähr die eine Hälfte der Energie direkt in die Gesamtbatterie eingespeist und die andere Hälfte fließt über die Wicklungen 3 und die Dioden 7 in die einzelnen Akkumulatoren 1.
Durch die enge magnetische Kopplung wird in allen Wicklungen 3, also insbesondere in den hier dargestellten vier Wicklungen 3 die gleiche Spannung induziert. Weist nun ein Akkumulator 1 durch Alterung oder sonstige Einflüsse eine niedrigere Spannung aus, so fließt direkt ein entsprechender Strom in diese Zelle.
Wenn der Aufladungsvorgang abgeschlossen ist, sind die Schalter 5 und 6 offen und der Netzgleichrichter 10 wird vom Netz getrennt. Dann wird mit Hilfe einer Ablaufsteuerung die Vorrichtung als Sperrwandler betrieben. Dabei ist eine Aktivierschaltung vorgesehen, die durch eine Vielzahl von Ereignissen je nach Einsatzzweck ausgelöst werden kann. Dabei kann es sich um einen einfachen manuellen Ein-/Aus-Schalter handeln, der z.B. durch das Äquivalent eines Zündschlosses bei einem akkumulatorgetriebenen Fahrzeug gebildet sein kann.
Die Schaltung kann auch einen Spannungskomparator aufweisen, der einen Schaltimpuls an den Ausgang der Schaltung weitergibt, wenn der Absolutwert der Batteriespannung innerhalb oder besser außerhalh vorbestimmter Werte liegt. Diese könnten z.B. bei einem Blei-Akkumulator 1 bei einer Spannung von größer als 2,2 Volt oder kleiner als 1,95 Volt liegen. Eine Spannung eines Akkumulators 1 außerhalb dieser Werte läßt auf einen Ladungs- oder Entladungsvorgang schließen, bei dem der Ladungsausgleich vonstatten gehen sollte.
Es könnte auch ein Detektor vorgesehen sein, mit dem eine Dynamik des Batteriespannung nachweisbar ist, die auf schnelle Lastwechsel hindeutet, wie diese beim Betrieb eines Elektrofahrzeugs auftreten. Weiterhin könnte auch das Abweichen der Spannung einzelner Akkumulatoren 1 von einem momentanen Mittelwert des Gesamtsystems als Auslöser für die Aktivierschaltung vorgesehen sein. Schließlich kann die Schaltung zum Ladungsausgleich z.B. auch periodisch, z.B. alle 3 Stunden, anlaufen.
Wenn die Aktivierschaltung einen Startimpuls nach einer der vorgenannten Bedingungen erzeugt, die einzeln aber auch zu mehreren geprüft werden können, steuert dieser beispielsweise einen Monoflop an, der für eine vorbestimmte Zeitdauer, z.B. eine halbe Stunde, die Vorrichtung zum Ladungsaustausch anstellt, oder diese Zeitdauer wird durch ein Merkmal der angeschalteten Last festgelegt Die Vorrichtung wird durch eine Logikeinheit überwacht, der weitere Signale zur Detektion eines Überstromes in oder einer Übertemperatur von Bauteilen wie Transistoren oder Wicklungen zugeführt werden. Diese Schaltung kann auch einen Ausgang für eine Anzeige für Status- oder Steuersignale aufweisen, z.B. für einen Lastabwurf. Diese Logikeinheit steuert den genannten Taktgenerator hoher Taktfrequenz an, an dessen Ausgang der Steuereingang des Schalters 8 angeschlossen wird.
Bei einer Funktion der Vorrichtung zum Ladungsausgleich wird der Schalter 8 mit hoher Taktfrequenz von einigen kHz geöffnet und geschlossen, wodurch Energie aus der Gesamtbatterie entnommen und der schwächsten Einzelzelle zugeführt wird.
Die Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer weiteren Vorrichtung zur Aufladung und zum Ladungsausgleich für drei Akkumulatoren 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Gleiche Merkmale sind in allen Fig. mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei dieser Schaltung beaufschlagt das Steuersignal des Taktgebers, mit dessen Hilfe in den zwei Taktschritten abwechselnd die Schalter 5 und 6 geschlossen werden, weitere Schalter 15, die jeweils in Reihe zu den Wicklungen 3 geschaltet sind. Diese Schalter 15 sind in dem Taktschritt, in dem der Schalter 5 geschlossen ist, ebenfalls geschlossen und schalten die Wicklungen 3 parallel zu den Akkumulatoren 1. Damit kann jeweils die von dem Netzgleichrichter 10 gelieferte Energie über die Speisewicklung 23 in den Wicklungen 3 induziert werden, die einen Ladestrom für die einzelnen Akkumulatoren 1 abgeben.
Wenn dagegen der Schalter 6 geschlossen ist, so öffnet der Taktgeber die Schalter 15, so daß über die Speisewicklung 33 eine Spannung in der Wicklung 13 induziert wird und so die Gesamtbatterie aufgeladen wird.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 arbeitet dann als Schaltung zum Ladungsausgleich, wenn beide Schalter 5 und 6 geöffnet sind und mit Hilfe desselben oder eines weiteren Taktgebers nur die Schalter 15 geöffnet und geschlossen werden.
Die Wicklungen 3 sind alle im gleichen Richtungssinn an die Akkumulatoren 1 angeschaltet, wobei für die zweite Taktperiode mit offenen Schaltern 15 die für alle Akkumulatoren 1 gemeinsam wirkende Entmagnetisierungswicklung 13 vorgesehen ist, die über eine Diode 17 über die Gesamtbatterie geschaltet wird.
Der eigentliche Ladungsaustausch findet hier in der Einschaltphase in der ersten Taktperiode statt. Diese kann hei geeigneter Wahl der Wicklungen 3 und 13 auch über 50% eines Taktes ausmachen, da die Entmagnetisierung rasch erfolgen kann.
Die Fig. 3 zeigt ein Schaltbild einer weiteren Vorrichtung zum Ladungsausgleich für in diesem Ausschnitt dargestellte zwei Akkumulatoren 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Es sind zwei in Reihe geschaltete Akkumulatoren 1 dargestellt, die Teil einer eine Vielzahl von Akkumulatoren beinhaltenden Batteriebank sind. Jedem der Akkumulatoren 1 sind zwei Wicklungen 3 mit unterschiedlichem Wicklungssinn zugeordnet. Diese Wicklungen 3 mit jeweils bezüglich ihrer Anschaltung an den Akkumulator 1 unterschiedlichem Wicklungssinn sind in Reihe mit jeweils einem Schalter 15 bzw. 16 verbunden. Die Wicklungen 3 sind auf einem gemeinsamen Kern 4 angeordnet.
Durch das aufeinanderfolgende Schließen der Schalter 15 bzw. 16 in einem Tastverhältnis von z.B. etwas weniger als 50% wird jeweils jede der beiden einem Akkumulator 1 zugeordnete Wicklung 3 mit dem Akkumulator 1 parallel verbunden, wobei jeweils alle Akkqmulatoren virtuell parallel geschaltet sind, so daß in jedem Schritt ein Ladungsausgleich stattfindet und ein Strom in den schwächsten Akkumulator 1 fließt
Weiterhin verfügt die Vorrichtung über die Speisewicklungen 23 und 33 auf dem gemeinsamen Kern 4, die in einer zu den anderen Ausführungsbeispielen analogen Weise an dem Netzgleichrichter 10 angeschlossen sind. Bei einem Ladebetrieb sind nun die Schalter 5 und 15 bzw. 6 und 16 gemeinsam geschlossen oder geöffnet. Die Schalter 5 und 15 bzw. die Schalter 6 und 16 werden jeweils synchron betrieben. Damit wird bei geschlossenem Schalter 5 über die Speisewicklung 23 eine Spannung in den Wicklungen 3 induziert, die über die Schalter 15 gerade zu den Akkumulatoren 1 parallel geschaltet sind.

Claims (3)

  1. Vorrichtung zur Aufladung und zum Ladungsaustausch zwischen einer Vielzahl von in Reihe geschalteten und einen Gesamtenergiespeicher bildenden, gleichartigen Energiespeichern (1), bei der als elektrische Speicher zu jedem Energiespeicher (1) eine Wicklung (3) eines energiespeicherfähigen Transformators (2) über einen ansteuerbaren Schalter (15) oder eine Diode (7) parallel liegt, eine Lade- bzw. Speisewicklung (23, 33) vorgesehen ist, eine weitere Wicklung (13) über einen weiteren ansteuerbaren Schalter (8) oder eine Diode (17) zum Gesamtenergiespeicher parallel geschaltet ist, und bei der im Ladebetrieb die Speisewicklung (23, 33) mittels ansteuerbaren Speisewicklungsschaltern (5, 6) eine Spannung mit taktweise wechselnder Polarität erhält, so daß im ersten Taktschritt jeder Energiespeicher (1) über die Wicklungen (3) transformatorisch geladen wird und im zweiten Taktschritt der Gesamtenergiespeicher über die weitere Wicklung (13) geladen wird und bei der weiterhin im Ladungsaustauschbetrieb die Speisewicklung (23, 33) abgeschaltet ist und entweder die Wicklungen (3) in einem Taktschritt mittels der weiteren Wicklung (13) aus dem Gesamtenergiespeicher geladen werden und im zweiten Taktschritt ihre Energie an ihre zugeordneten Energiespeicher abgeben oder mittels Zuschaltung einer Anzahl von Wicklungen (3) in einem Taktschritt eine induktive Parallelschaltung derselben bewirkt wird, wobei im zweiten Taktschritt über die weitere Wicklung (13) eine Entmagnetisierung des Transformators erfolgt und zur Ansteuerung aller ansteuerbaren Schalter (5, 6, 8, 15) ein Taktgeber vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung zur Aufladung und zum Ladungsaustausch zwischen einer Vielzahl von in Reihe geschalteten und einen Gesamtenergiespeicher bildenden, gleichartigen Energiespeichern (1), bei der zu jedem Energiespeicher (1) zwei entgegengesetzt gepolte Wicklungen (3) eines Transformators über zugehörige ansteuerbare Schalter (15, 16) parallel liegen und eine Lade- oder Speisewicklung (23, 33) vorgesehen ist, bei der im Ladebetrieb die Speisewicklung (23, 33) mittels ansteuerbaren Speisewicklungsschaltern (5, 6) eine Spannung mit taktweise wechselnder Polarität erhält und über die Wicklungen (3) durch synchrones alternatives Ansteuern ihrer zugehörigen ansteuerbaren Schalter (15, 16) die Energiespeicher (1) geladen werden und im Ladungsaustauschbetrieb die Speisewicklung (23, 33) abgeschaltet ist und die Energiespeicher (1) über die Wicklungen (3) durch synchrones alternatives Ansteuern ihrer zugehörigen ansteuerbaren Schalter (15, 16) induktiv parallel geschaltet werden und zur Ansteuerung aller ansteuerbaren Schalter (5, 6, 15, 16) ein Taktgeber vorgesehen ist.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgeber von einer Ablaufsteuerschaltung ansteuerbar ist, die über eine Aktivierschaltung für einen vorbestimmbaren oder von einer angeschalteten Last bestimmten Zeitraum einschaltbar ist.
EP95925726A 1994-08-13 1995-07-21 Vorrichtung zur aufladung und zum ladungsaustausch zwischen einer vielzahl von in reihe geschalteten energiespeichern Expired - Lifetime EP0775378B1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4428769A DE4428769C1 (de) 1994-08-13 1994-08-13 Vorrichtung zur Aufladung von und/oder zum Ladungsaustausch zwischen einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Energiespeichern
DE4428769 1994-08-13
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